数控技术课件第6章数控伺服系统

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1、2019/6/21,第 6 章 数控伺服系统,2019/6/21,6.1 概 述,伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。,2019/6/21,6.1 概 述,进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一

2、种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。,2019/6/21,6.1.1 伺服系统的组成,组成：伺服电机 驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块 位置调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装置 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。,2019/6/21,6.1.1 伺服系统的组成,位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈 部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率 放大器组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度 控制包括速度和电流控制。,2019/6/21,1精度高 伺服系统的精度是

3、指输出量能复现输入量的精确程 度。包括定位精度和轮廓加工精度。 2稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在 短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接 影响数控加工的精度和表面粗糙度。 3快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速 和最低转速之比。024m / min。 5低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度 范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转 矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大 的输出功率。,6.1.2 对伺服系

4、统的基本要求,2019/6/21,对伺服电机的要求： （1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性 （2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速 大转矩的要求。 （3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的 转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 (400rad / s2以上)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。,6.1.2 对伺服系统的基本要求,2019/6/21,1按调节理论分类 （1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统,6.1.2 伺服系统的分类,2019/6/21,6.1.2 伺服系统的分类,开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是

5、单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。,2019/6/21,6.1.2 伺服系统的分类,无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,2019/6/21,6.1.2 伺服系统的分类,半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,2019/6/21,6.1.

6、2 伺服系统的分类,半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。,2019/6/21,6.1.2 伺服系统的分类,全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,2019/6/21,6.1.2 伺服系统的分类,从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失

7、动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,2019/6/21,2按使用的执行元件分类 （1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常 数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。 （2）电气伺服系统 伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机） 优点：操作维护方便，可靠性高。 1）直流伺服系统 进给运动系统采用大

8、惯量宽调速永磁直流伺 服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺 服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。 2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系 统） 和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动 态响 应好、转速高和容量大。,6.1.2 伺服系统的分类,2019/6/21,3按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。 4按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比

9、较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统,6.1.2 伺服系统的分类,2019/6/21,6.2 伺服电动机,伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机） 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）,2019/6/21,常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、 印刷绕组） 励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机 直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直 流电机（普通型）； 直流主轴伺服系统： 励磁

10、式直流电机类型中的他激直流电机。,6.2.1 直流伺服电机及工作特性,2019/6/21,1直流伺服电机的结构,2019/6/21, 静态特性 电磁转矩由下式表示: （6.1） KT 转矩常数； 磁场磁通；Ia 电枢电流；TM 电磁 转矩。电枢回路的电压平衡方程式为: （6.2） Ua 电枢上的外加电压；Ra 电枢电阻；Ea 电枢反电势。 电枢反电势与转速之间有以下关系： （6.3） Ke电势常数；电机转速（角速度）。 根据以上各式可以求得： （6.4）,2 一般直流电机的工作特性,2019/6/21,当负载转矩为零时： 理想空载转速 （6.5） 当转速为零时： 启动转矩 ( 6.6） 当电机

11、带动某一负载TL时 电机转速与理想空载转速的差 （6.7）,2一般直流电机的工作特性,O,2019/6/21, 动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为 （6.8） 式中 TM 电机电磁转矩； TL 折算到电机轴上的负载转矩； 电机转子角速度； J 电机转子上总转动惯量； t 时间自变量。,2一般直流电机的工作特性,2019/6/21,(1) 永磁直流伺服电机的性能特点 1) 低转速大惯量 2) 转矩大 3) 起动力矩大 4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 (2) 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1) 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 2) 负载-工作周期曲线 过载倍数Tmd

12、，负载工作周期比 d。 3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。,3永磁直流伺服电机的工作特性,2019/6/21,3永磁直流伺服电机的工作特性,d% 80 110% 120% 60 130% 140% 40 160% d 180% 20 200% 0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min) 图69负载-工作周期曲线,2019/6/21,4主轴直流伺服电机的工作原理和特性,2019/6/21,直流伺服电机的缺点： 它的电刷和换向器易磨损； 电机最高转速的限制，应用环境的限制； 结构复杂，制造困难，成本高。 交流伺服电机的优点： 动态响应好； 输出功率大、电压和转速提高

13、 交流伺服电机形式： 同步型交流伺服电机和 异步型交流感应伺服电机。,6.2 2 交流伺服电机及工作特性,VS,VS,2019/6/21,交流同步伺服电机的种类： 励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式 （1）永磁交流同步伺服电机的结构,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,VS,VS,定子,转子,脉冲编码器,定子三相绕组,接线盒,图611 永磁交流同步伺服电机结构,2019/6/21,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,2019/6/21,（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能,1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理,n（r/min）,2019/6/21,交流主轴电机的要求： 大功率 低速恒

14、转矩、高速恒功率 鼠笼式交流异步伺服电机 图614交流主轴电机与普通交流 异步感应电机的比较图示意图 图615 交流主轴伺服电机的特性曲线,2交流主轴伺服电机的结构和工作原理,2019/6/21,（1）永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用 钕铁硼 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机 （2）交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。 液体冷却电机 内装式主轴电机,3、交流伺服电机的发展,2019/6/21,6.2.2 步进电机及其驱动装置 一、步进电机工作原理 步进电机伺服系统是

15、典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。,2019/6/21,步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图6.16所示的反应式三相步进电机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步